實用案例：嵌入式采煤工作面安全集中監控系統
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二、需求分析
2.1 功能要求
采煤工作面作為采煤工作的第一現場，那里的情況瞬時萬變，是整個井下安全體系中最關鍵的一環。本次設計將重點關注如何確保采煤工作面安全生產這一嚴峻問題。
保證生產過程安全所采取的措施中，除了增強工人自身安全意識外，另一個重要的因素就是完善基于各種監控設備的預警系統和控制系統。在影響采煤工作面安全的各種可檢測因素中，瓦斯濃度、頂板壓力、水位、粉塵濃度成為關鍵，同時為了便于地面監控中心實時了解井下的工作場景，實時的現場畫面監控也是必不不可少的。
綜上因素，本次設計要求能夠及時的，把采煤工作面頂板壓力、水位、瓦斯濃度、粉塵濃度等物理量數據進行采集，并通過嵌入式32位AVR微處理器處理后通過網絡及時上傳到位于地面上的監控中心，便于安全監察人員和生產調度部門觀察和抉擇。在緊急重大的情況下及時采取相關措施將危害降到最低。同時，也在現場把瓦斯濃度、頂板壓力、水位、粉塵濃實際的檢測的數據，進行必要的判斷和處理，以實現在一定的范圍內對以上參數進行自適應調節和自動控制，以達到提高現場工作效率和安全系數的目的。
2.2 性能要求
考慮到采煤工作面所在的特殊環境，要求所設計的產品能夠在這種特殊的環境下正常的運行。例如設計的低功耗性、防爆性、堅固性、和防潮絕緣性以及斷電保護等，而根據相關規定，凡是要應用到煤礦井下的電氣設備，其防爆性能要求較高，要么是保安型的，要么是本安型的。而要想得到以上資質，必須到相關煤礦防爆監測站進行有關的檢測，檢測通過后這些設備才能被用于井下作業。
針對本次設計大賽，由于受條件的限制，有關電氣設備的防爆等無法實現和模擬，只能從電氣設備的基本功能，結合嵌入式AVR微處理器的性能進行系統設計。
其它性能要求如下：
實時的采集采煤工作面的現場工作畫面并通過網絡向地面監控中心傳輸。為了達到實時的目的，采集圖像的速率需最低為5幅/秒 ，同時為達到圖像能正常傳輸這一目的，對采集的圖像需要采取合適的壓縮算法。
頂板壓力、水位、瓦斯濃度、粉塵濃度等物理量數據采集的采樣頻率分別是 10秒，50秒，30秒，30秒。同時為了使采集的數據平滑，需要對采集的數據選擇合適的數字濾波算法進行處理。
對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等的控制，按照超過規定參數上限80%時，才采取自適應調節和自動控制。通過自行處理調整控制，使其始終保持在規定參數上限80%以下。當超過這些參數安全上限時開始報警并及時將相關信息上傳地面監控中心。
為更好的實現對采煤工作面頂板壓力，瓦斯，煤塵，水位等規定參數的自動控制，采取PID數字控制算法。
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